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IGBT直接高压变频器在煤矿主井皮带机中的成功应用1引言马脊梁矿位于大同煤田西北部边缘地带,距集团公司约50km。井田面积170km2，现有三个综采队主采侏罗纪7＃，11＃和14＃煤层,地质储量50.7亿t。可采储量29.74亿t。井田水文地质条件简单，瓦斯含量低，为低瓦斯矿井。矿井于1996年6月技术改造完成后，核定生产能力为80万t。近年来随着企业内部管理水平的不断提升，矿井产量逐年增加。实际能力已达360万t。2改造前工作情况矿井煤流集中由高山主斜井强力胶带输送机（1996年改造前后设备参数见表1送至煤厂洗选外运。该机为双滚筒三机拖动方式。现采用三台6kV，400kW笼形异步电机与调速型液力耦合器驱动两个主动滚筒，其中1号电机和2号电机同轴拖动卸煤滚筒。该拖动系统由于1996年技术改造时的先天不足而存在着严重问题。2.1存在的严重问题（1）各液力耦合器由于工作条件苛刻,现场条件较差,使得闭环伺服系统功能丧失。导致三台耦合器内部充油压力不匀,滑差不等,传动效率不一致,造成1号和2号同轴传动系统周期性震动剧烈。成为楼板共振的主要振源。（2）机头楼层的楼板浇筑厚度为10cm，楼层主次梁的强度及布局设计是针对改造前的拖动装置的，而现在的拖动装置由于电机功率增大。减速机体积增加，同是又增加了调速型液力耦合器，促使三台拖动装置各增加了一个联轴环节,电机距主梁距离增加了1.5m，电机轴向中心线偏离次梁中心0.3m，使楼层无法吸收传动机构的振波。该楼层5个窗户玻璃无法安装，只好全部封堵，司控室地板砖全震碎，图牌无法上墙，为减轻震动影响，在该楼层下支了8根6m长的木柱。（3）液力耦合器技术条件要求严格，工作条件苛刻，自身故障率高。2.2由于以上三个问题的存在而又衍生出以下几个问题，这几个问题互相依赖，恶性循环（1）由于液力耦合器技术要求高，输入及输出端的联轴同轴度均不得大于20mm，现场也很难达到要求，即使达到，也由于系统震动剧烈而又难以保持。反过来即加剧震动，又使自身轴承寿命缩短。（2）由于同轴传动的液力耦合器滑差不等，传动效率不同，使得减速机各级齿轮变差液啮合状况变差，滚动啮合过程存在着滑动，从而导致二轴及三轴齿出现疲劳片状剥蚀，高速轴轴承易损，机箱壳体研磨等，既增加自身震动烈度，又反过来影响各联轴节的同轴度。（3）由于液力耦合器因工作压力高而导致油温高，其专用水冷却器为266根Ф12×Ф10×1200紫铜管组成，细管内结垢后不易清除，即使每次目检都安排专人“捅”，也不能恢复其冷确效果。使液力耦合器长时期在高压，高温,高速的工况下工作，使得工作油稀释，化学成分变化，轴承润滑状况恶化，泵轮平衡铅块因孔壳膨胀飞脱，而导致动静失衡,自身震动加剧,现场维护难度加大,故障频繁,成为制约矿井生产的一个重要原因。3改造地点及技术条件基于强力胶带输送机所存在的上述问题及其在生产环节方面的重要性，原有的驱动及控制已经不能满足矿井安全及生产的需要，必须立即加以改造，矿党政领导对此问题高度重视，矿长郭海同一方面全面及时的向集团公司领导反映情况，争取技改立项和资金，另一方面组织本矿技术人员搜集资料，进行技改方案论证。在集团公司吴汉庭副总经理及张义副总经理的大力支持下，在黄远平及吴兴利副总工程师的具体组织及机电处的大力协助下，经公开招标，决定使用成都佳灵电气制造有限公司生产的“JCC系列IGBT高压变频器”对该驱动系统进行改造，同时使用上普昱矿山设备有限公司生产的“KTW3-380S”主斜井皮带控制设备，以实现该系统的控制要求。IGBT高压变频器拟安装地点为高山主斜井井口配电室，用以驱动STJ-1000/3×400型强力胶带输送机，该斜井倾角及胶带机各主要参数如表1所示。该胶带输送为在线生产设备，井口机为四层楼结构。1号和2号驱动设备安装在第四层，同轴驱动卸煤滚筒；3号驱动设备安装在三层井口底板上，单独驱动下皮带。全楼有10t天车一台和提料通道；三层配电室有足够的变频器安装空间，并有变频器及控制设备所需的高、低压电源及通断设备，四层司控室也有新型控制设备足够的安装空间，总之具备变频器工业试验的一切硬件设施。4现场试验的主要内容与要求成都佳灵电气制造有限公司生产的“IGBT高压变频器”是为我矿高山主斜井强力胶带机的技术改造而量身订做的，尽管其本身有许多优异特性，在订做时技术协议中也有许多具体要求，但由于该胶带机为在线生产设备，故此2004年7月1日安装投运以来按生产工况需求进行如下试验。（1）功率自动平衡功能通过触摸屏液晶显示，三机的三相平均电压和电流基本一致，为:5.8kV、37A左右（随扫描频率而跳变）,整机运行平稳。（2）重载起动能力过载设定150％，转矩提升设定为35％，起动时间设定为100s，起动平稳无冲击。（3）软起软停功能起动时间100s，停机设定20s，各种正常工况起停平稳无冲击。（4）功率裕度电机功率为400kW，变频器功率为500kVA，可任意组合，双机重载起停平稳，变频器长时运行，各项指标正常，体现了冗余技术。（5）输出电量品质国标GB12668-90中规定，任意奇次谐波均不起过5％，任何偶次谐波不超过2％，短时（持续时间小于30s）出现的任一次谐波含量不超过10％，经过现场调试运行正常后实测。输出电压谐波为1.2%，4次谐波为0.4%，15次谐波为0.2%，17次谐波为0.2%，且空载和重载时基本一致。而进线电网电压谐波则高达24.8％。（6）共模电压和电流测试佳灵公司企业标准规定共模电压有效值不超过2kV，共模电流不得超过0.5A（远比国外标准严格）。在调试正常后（互感器变比为60：1），经现场实测多次：开关频率：3.8～3.937kHz；共模电压：12.97V×60=778V＜2kV；共模电流：0.30～0.45A0.5A。重载起动过程中共模电流会短时超标，但最大仅为0.79A，不影响正常起动。（7）电磁兼容性能该设备使用IGBT绝缘栅双极晶体管，其开关速度高达20kHz，电磁辐射较严重，内部干扰也很严重。经过较长时间的现场分析调试，多次调整抗干扰电路电容参数，使得其电磁兼容性能得以良好体现，变频器运行相当平稳可靠。（8）低频性能该设备设计调整范围为0.5Hz～120Hz，恒转矩频段为6Hz～60Hz，在此频段运行频率可任意设定，远控频率转换功能为6级：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz、45Hz、50Hz，完全满足现场低频降容运行的节能需求。（9）保护功能通过现场故障显示，证明该套设备具备过载、过压、欠压、桥臂主器件自保护，风机断电保护等功能灵敏，其他如接地、电涌、过电压因无发生此类故障，故本机无显示。（10）故障率该设备自2004年7月1日正式投运以来，前期故障基本为抗共模电路及抗干扰电路部分元件参数的设计或质量方面的缺陷，而导致个别保护的误动作；截止10月24日（10月20日至24日为本矿停产检修时间），厂家对抗干扰电容参数又做了一次调整,在此以后,再未发生过一次误动作,此阶段故障率为零。即是前期保护误动作后,经复位操作,也很快就能恢复运行,对生产影响甚微。5现场试验情况该套变频设备自2004年7月1日20时投运至今，两年多来，根据故障情况，基本可分为三个阶段，各阶段故障情况及处理措施如下：第一阶段：为2004年7月1日～7月17日，为双机运行阶段。该阶段主要因1号和2号柜共用的直流电抗器参数不匹配。抑制共模干扰效果不好，使1号回路和2号回路输出互相干扰、电压波形畸变，同轴传动的两台电机有三台次绕组绝缘因过电压而击穿，被迫双机运行，以维持生产。后厂家增加了一个电抗器，将1号和2号单元从直流侧分离，这一问题始得解决。第二阶段，为2004年7月18日～10月20日，为三机联运阶段。此阶段正处于变频器寿命的早期失效期（三个月），此阶段的故障表现为元器件参数或质量引起的桥臂自保护和电干扰引起的误动作。保护动作频度最高时达到一天6次，最长无保护运行不超过三天，但是保护动作后，只要复位，便可重新起车，平均需时间不到5min；故基本能满足生产需要。此期间的主要措施为更换故障元器件和加大驱动板上二级管容量和抗干扰电容量，将各桥臂上的保护延时电容容量由原400PF增加至600PF，运行稳定性显著提高。后针对保护误动作的具体分析，于10月20日停产检修后，对三个驱动单元的四个桥臂上的保护延时电容容量增加100PF，将三号柜单片机芯片予以更换，使保护误动作问题得以彻底解决。第三阶段，为2004年10月24日至今，无故障发生，属稳定运行期。试运行期（2004年7月～10月）产量情况如表2所示:6技术经济效果6.1两种传动方式运行参数的比较自变频器投运以来，该胶带输送机的各项运行参数发生了明显的良性变化，详见表3。6.2节电效果（1）运行节电根据改造前后运行的实际测量，液力耦合器运行电压为6.2kV、电流平均为39A，变频器输入电压6.2kV，电流平均为37A，每天实际运行20h，据此计算。液力耦合器每天的耗电量2.463万kW·h;变频器每天的耗电量2.336万kW·h;日节电：2.463-2.336=0.127万kW·h;日节约电费：从2004年7月份起（工业用电电价为0.75元／kW·h），则：0.127×0.75=0.09525万元＝952元／日;变频器投运四个月总计:116.5天,已节约电费：0.0952×116.5=11.09万元;年节约电费：0.0952×350=33.32万元。（2）起动节电改造前，液力耦合器为电机高压直接起动，100A量程表头显示满偏转，电机额电流47.3A，以4～6倍额定电流估算，起动电流按4Ie即189.2A计算，变频器实际起动电流1.2Ie,即1.2Ie＝56.76A。液力耦合器起动总电流为3×4Ie=567.6A；变频器起动总电流为：3×1.2Ie=170.28A；变频器起动电压为：3000V；每天按起动10次计,变器起动时间60s,液力耦合器30s;液力耦合器日起动总耗电量为:48.2kW·h;变频器日起动总耗电量为:14.4kW·h;日起动节约电量:48.2-14.4=33.8kW·h;日起动节约电费:33.8×0.75=29.1元;运行以来起动节约电量:33.8×116.5=3937kW·h;运行以来起动节约电费:3937×0.75=2952.75元;投运四月总节约电费:11.09+0.2952=11.385万元;全年节约电费：350天×（952元＋29.1元）=34.3385万元。（3）传动效率提高使带速提高:3.2-3.15=0.05m/s=180m/h原小时运力为780t/h，折合皮带货载68.8kg/m,则每小时提高运力为1.2t，全天提高运力为1.2×20=24t，若煤利润50元/t计，则增收1200元。投运以来增收：1200×116.5=13.98万元年增收：1200×350=42万元（4）三台液力偶合器配设备自身的投入三台退出使用为其它在用设备备用，每套20万元，计60万元；原每月补充油费用：3×90＝270kg;年换油两次用油2700kg;月补22＃透平油油费用为：270×5.2=0.1404万元（按油价5.20元/kg计）年换油费用：2700×5.2＝1.404万元;年油料费用：1.404+0.1404=1.544万元;三台液力耦合器人工除垢,每月需人工12个,每工50元,计600元,每台液力耦合器月维护费用为补油费用＋人工除垢费,即：600+1404=2004元,投运四个月总节约费用:4×2004=8016元,年节约费用:12×2004=24048元。每台液力耦合器每年故障返修一次,每台次4万元,3台次计节约修理费12万元,年更换3次,每次10h,影响产量23400t,每吨利润50元,年增加利润23400×50=117万元。以上各项，以投运时间计算投资回报。节约电费：11.385万元;提高效率：13.98万元;减少维护费用：0.8016万元;总计：26.165万元。年增收利润：节约电费：34.3385万元;提高效率：42.00万元;减少维护费用：2.4048万元;